基于性能优化设计的三层交换机关键技术研究

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摘要：随着计算机网络技术的飞速发展和信息技术的普及应用，以太网已经得到越来越广泛的应用。三层交换机（也被称为IP交换）是三层交换技术中的关键设备，该文分别从别从路由子系统的设计、接口软件的设计、高可靠性设计这三个方面进行了分析，得出了一些结论，对于三层交换机的改进提供了一些参考。

关键词：交换机；数据包；模块；报文；交换技术

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)17-4076-02

随着计算机网络技术的飞速发展和信息技术的普及应用，以太网已经得到越来越广泛的应用。三层交换技术（也称为IP交换技术或多层交换技术）是相对于传统的交换概念的提出，基于第三层地址转发业务流，实现切换功能。三层交换技术，解决局域网段划分，网络中子网必须依赖路由器的管理情况。三层交换机（也被称为IP交换）是三层交换技术中的关键设备，实际上是对传统的交换机和路由器的进行结合了的传统的网络设备，它不仅可以完成传统开关端换功能，还可以可完成部分路由器的路由功能。

由于网络的使用越来越广泛，使网络的可靠性成为保障企业应用环境正常运行的首要条件。在军事，国防和电信部门对网络可靠性的要求更高，他们绝对不允许通信中断，即使有些被损坏或发生故障，也绝不能出现整个网络的瘫痪。这些要求使得提高三层交换机的可靠性已成为发展的重点推广。为了减少不正常的系统停机，高端交换机必须提高可靠性，系统没有单点故障，任何部件的冗余备份，包括控制卡，线路卡，电源，交换卡，冷却等；交换系统内的线路卡和控制卡，切换模块，机架，高速连接，需要进行备份。开关系统，网络协议模型的容错底部，保证上层协议操作的可靠性。在硬件冗余的同时，该软件还需要相应的故障处理，可以实现不间断转发系统。这些技术包括热备份，主备倒换，热交换，通过这些技术使开关的监测能力运行状态和故障自动恢复，而在更换设备的损坏时，不需要停机更换部件后，不需要重新启动，可以使其与整个系统集成在一块工作，而不会影响其他模块板的正常运作，使故障的影响降到最低。

1路由子系统关键设计

路由IP数据包从源端到目的所走路径机制，路由的主要方式：动态路由和静态路由。动态路由能够自适应拓扑变化。当路由更新信息时，网络的拓扑发生变化，路由设备根据路由协议算法建立路由表，和更新路由信息交互，使网络上的其他路由设备同时更新路由表。静态路由是手动的在路由设备的路由表中添加固定选择规则。

三层交换机转发原理：三层交换机的核心硬件为CPU处理器和转发芯片，芯片和处理器通过总线交换数据，在转发芯片的二层转发标中，中央处理器进入一个虚拟端口。当转发器芯片接收到一条消息，如果是本网的，通过搜索地址表，进行二层转发。如果没有这段报文，查找硬件路由表，数据包从一个相应的端口转发。如果没有找到，则交给MAC层，数据包发送到中央处理器对应端口。当处理器接收数据包，该内核会找到内核路由表，主机路由转发芯片硬件路由表，随后将收到的邮件根据路由进行三层转发。

模块设计：用户配置接口模块和路由更新模块，每个子模块进程在启动和初始化后，将进入相同的无阻塞的多个操作周期，其次是实现循环队列的操作。用户配置接口的命令行解析模块在前台进程中实现，终端接收用户命令输入，虚拟终端设备嵌入在路由配置模块的rib子模块。该分组采用到报文的交换技术，对每一个在子网传输的数据包路由，路径计算、路由表生成和维护是由运行在CPU的路由协议完成的，分布在各交换引擎的路由单位根据各自存在的本地存储路由表，由硬件完成路由功能的数据包转发操作，这样可以很好的提高路由处理速度。三层交换机采用模块化结构，提供快速以太网，千兆以太网交换及ATM上行接入三种功能。使用共享内存开关模式，通过高速总线和开关矩阵连接与其他交换，实现芯片的数据交换。共享内存分布在每个交换芯片内，而不是交换矩阵中，其大大简化了交换矩阵控制，有利于提高交换效率。

2接口软件关键设计

接口管理软件处理的对象是各种不同类型的接口，如果根据不同的接口分别处理，会消耗大量的能量。因此，接口管理软件把不同接口的共性抽象出来的设计思想，采取统一的过程，而对接口之间的差异单独处理。如果是新的接口类型，只需要不同的处理。

主要关注的重点，包括几个方面：分析了现有的三层交换机接口，根据接口的层次，研究界面之间的共性及各自的属性（包括二层和三层属性）；目前的三层交换机接口类型划分为物理接口和逻辑接口，对每个接口定义行为，每种接口行为中存在的具体实现的不同，可以抽象和定义的界面的行为框架；根据界面管理现状的一部分确定接口管理的主要任务，对管理任务划分模块和接口设计。

接口属性管理：界面接口的各种属性，如何管理这些属性是接口管理模块的基本任务，有效地组织各种接口是接口管理模块的主要任务，它可以提高检索的效率，提高系统的执行效率；界面管理的一个特点是属性很多，几乎每一个属性将有一个用户界面，为用户提供全面的和友好的界面是研究内容之一；许多任务需要修改或读取接口的各种属性，它们可能存在于资源的并发操作，如何实现相互排斥的管理界面稳定性是关键；多卡板通讯设备，接口板必须报告给相关信息的界面，主控制板根据接口板上信息创建接口并同步到接口板，主控板和接口板数据一致性。

在一个界面操作功能中，具体操作完成之前，必须检查接口的能力，只有在界面上有一定的能力，才执行相应的操作。几个关键能力如下：可以设定IP，IP是否可以改变，可否加入或离开网络，可以加入和离开肠道链路等。每个接口类型有许多属性，一些界面的特性是共同的所有接口。可以把公共属性作为一个独立的结构，每一个接口的类型对应私有属性。空间分布的策略，如果接口规格较大，与实际使用的可能是比较少见的，可以一次分配适当的空间，如果接口增加，空间地址表是不够时再分配，反之随着数量减少，就要释放多余的空间。界面行为处理上遵循以下原则：共性抽象，独特的功能，处理原则，针对特定类型的界面行为的类型专用接口逻辑处理不属于基本范畴的界面行为。接口类型为了按接口索引组织接口，需要转换接口，接口索引编号，每个接口编号相对于接口类型是全局唯一的。在地址映射和位图插入，通过身份进行有序的组织。相反，遍历时，需要转换接口索引，根据每个接口类型索引的字段生成接口索引。

应用程序接口是为其他模块提供的，因此需要较强的容错性、稳定性，接口函数必须简洁清晰。许多模块都关心界面行为事件，以便及时通知其他模块的接口管理，接口管理实现通知连接机理，是其他模块的了解接口管理的窗口。存在一个全局的通知链表，对其他模块的事件处理程序的功能进行事件的相关处理。注册功能还提供相应的优先级设置，因此需要进行注册功能列表的前面。当事件发生时，在适当的管理界面地方调用通知链扫描功能，其次是实施循环链功能。界面管理实施循环链，附带其他模块需要的数据。

3高可靠性设计

在分布式交换机中，整个系统的管理是由主控制板来完成。该系统配置是由主控制板通过带外信道被发送到每个业务板，主控板系统的可靠性是非常重要的，所以在分布式系统一般采用两块主控制板，用于提高可靠性。正常运行时只有一个主控制板发挥作用，管理整个系统，称为主要控制板，另一块是用来作为备份，称为备用主控板。需要相应的主/从切换技术、热备份技术来实现双控制冗余备份功能，从而真正实现系统中的主控板快速下跌后自动切换到备用主控板和确保所有的配置信息不丢失。此外每个板应能在不断电源的情况下插入和去除，并可自动保存和恢复相应的配置，而不影响正常的转发，这需要使用热插拔技术。技术方案可以使开关系统具有很好的容错能力，故障恢复能力，长期运行时间，最短的主备倒换开关时间，主备倒换过程不中断服务。满足用户要求的高性能交换机，确保用户业务的稳定运行。

热备份系统（交换机）：开始后，主控板将配置信息反馈给备用控制板；在系统运行过程中，如果配置信息发生变化时，主控制板的配置信息反馈备用主控板。主/从切换检测：系统的正常运时，主控制板将定期向备用主控制板发送状态报告消息。当备用主控制板的一段时间内没有接收主控板的消息，会认为主控制板故障，进而进行主备倒换处理。主备倒换处理：每个模块该状态设置为“主/备用状态”；原来的主控制板故障恢复，即重新启动原有的主控制板，主控板将重新启动，并成为备用控制板；每个模块禁止处理的数据包再发送到CPU进行处理；运行热备份配置信息；允许处理器发送数据包；使配置管理。

热插拔检测：使用硬件中断和软件的状态报告消息的检测机制。硬件中断模块拉出，很久没有收到业务模块状态报告消息。热拉深工艺对单板配置信息提取和删除，热插拔处理完成配置信息恢复。

4结束语

该文对三层交换机中的主要技术进行了研究，分别从路由子系统的设计、接口软件的设计、高可靠性设计这三个方面进行了分析，并提出了一些自己的建议，对三层交换机技术的改进提供了参考。由于时间有限，不能全部从实验上进行验证，这些将在以后的工作中完成。

参考文献：

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